摘要

相位噪声是时钟、射频频综最为关注的技术指标之一。影响锁相环相噪的因素有很多，比如电源、参考源相噪、VCO 自身的相噪、$环路滤波器的设置等。其中，电源引入的低频噪声往往对锁相环的近端相噪有着很大的影响。对于高性能的时钟和射频频综产品，为了获得极低的相噪性能，往往采用低噪声的 LDO 供电。然而，采用不同的 LDO 给频综供电，取得的相噪性能往往会有很大差别，同时，LDO 外围电路设计也会影响到频综的相噪性能。

本文首先简要地介绍了 LDO 的噪声来源及环路稳定性对输出噪声的影响;其次，根据调频理论推导出 VCO 的相位噪声与 LDO 的噪声频谱密度的理论计算关系。在此基础上，为了验证 LDO 噪声对射频频综输出相噪的影响，分别采用 TPS7A8101 和 TPS74401 LDO 评估板给 TRF3765 射频频综评估板供电，对比测试这两种情况下的 TRF3765 相噪曲线;同时，为了验证 LDO 环路稳定性对频综相噪的影响，针对 TPS7A8101 评估板的参考电路做出部分修改，并对比测试了电路修改前后的 TRF3765 输出相噪。

1、LDO 噪声来源及环路稳定性对输出噪声影响

1.1 LDO 噪声来源

LDO 的噪声分为 LDO 内部的噪声和 LDO 外部的噪声。LDO 内部的噪声来自于内部电路的带隙基准源，放大器以及$晶体管。LDO 外部的噪声来自于输入。在 LDO 的手册中，PSRR 是表征 LDO抑制外部噪声的能力，但 PSRR 高并不代表 LDO 内部噪声小。LDO 的总输出噪声才是表征 LDO内部噪声抑制的参数，一般在电气特性表里用单位µVRMS 表示，或者在噪声频谱密度图上表示。

图 2 是 LDO 内部结构框图，VN 代表等效噪声源。噪声源包括带隙基准源产生的噪声VN (REF) ，误差放大器产生的噪声VN (AMP) ，FET 产生的噪声VN (FET) 以及反馈电阻产生的噪声VN ( R1) 和VN ( R2) 。在大多数情况下，由于带隙基准源电路是由很多不同的电阻、晶体管和电容组成，它所产生的噪声会远远大于反馈电阻产生的噪声。而且带隙基准源是误差放大器的输入，它所产生的噪声也会经由$误差放大器放大来控制 FET，所以误差放大器本身以及 FET 所产生的噪声也会比带隙基准源的噪声要低。可以说，LDO 内部最大的噪声源就是带隙基准源。我们把 LDO 输出噪声VN (OUT) 表示为

VN ( Other) 是VN ( AMP) 以及VN (FET) 的和。由公式 1 可以得出，输出噪声最小值出现在 R1 短接到 FB，误差放大器的增益近似为 1 的时候。

1.2 LDO 噪声抑制方法

为了抑制带隙基准源产生的噪声，有三种办法。

一是降低误差放大器的带宽，抑制了带隙基准源的高频噪声。但是降低带宽会使 LDO 的动态性能降低。

二是在带隙基准源和误差放大器之间加低通滤波。高性能的 LDO 都会有一个噪声抑制 NR 管脚，CNR 并联在带隙基准源和 GND 之间，起到低通滤波的作用。如图 3 所示。

三是在反馈电阻 R1 上增加前馈电容CFF 。在增加了CFF 和CNR 后，输出噪声可以表示为

从式 2 可以得出，CFF 越大，输出噪声就越小。频率越高，输出噪声越小。

图 4 是不同CFF 下的噪声频谱密度图。可以看出，CFF 越大，噪声从低频开始都能被很好的抑制。CFF 太小的时候，抑制噪声的作用就不太明显。当频率很高的时候，不管用多大的CFF ，噪声频谱密度相差不会太大。所以，增加合适的前馈电容CFF ，对改善 LDO 低频噪声有非常好的效果。

1.3 LDO 环路稳定性与输出噪声的关系

从 LDO 的小信号分析可以看出，LDO 有两个低频极点，如果没有合适的零点补偿，LDO 的稳定裕度不够，就有可能产生震荡。稳定裕度不够的 LDO 产生的内部噪声会更大。上节中提到第三种噪声抑制方法，即增加前馈电容CFF 是实际上为了改善系统稳定裕度。由CFF 与R1组成一个低频零点，

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由下图的频率响应可以看出，零点是相位裕度有了很大的提升，增加了系统稳定性，从而减小了系统低频噪声。

2、LDO 噪声与 VCO 输出相噪的关系

电源引入噪声对锁相环中各个有源器件都可能造成影响，其中最为敏感的部分是 VCO，本文将着重讨论 LDO 输出噪声对 VCO 相噪的影响。

一个典型的 LDO 供电的频综系统框图如图 7 所示：加载在电源上的噪声信号通过频率调制过程调制到 VCO 的输出，造成 VCO 输出相噪恶化。

根据经典调频系统理论，调制指数β 由式(3)来表示

由式(8)可见，对于给定的 VCO，由于Kpush 是一个确定的值，因此由 LDO 噪声引起的 VCO 输出相噪是由 LDO 的噪声频谱密度(Noise Spectrum Density)决定的。

3、采用不同 LDO 进行射频频综供电对比测试

3.1 TPS7A8101/TPS74401 频综供电对比测试

TPS7A8101 和 TPS74401 是 TI 推出的两款高性能 LDO 芯片。与 TPS74401 相比, 由于具有更高的环路增益和带宽，TPS7A8101 具有更高的电源噪声抑制比(PSRR);然而，由于具有更好的系统稳定性，TPS74401 拥有更低的噪声频谱密度(NSD)，如下图 8 所示。

下面我们分别采用 TPS7A78101 和 TPS74401 评估板对 TRF3765 评估板进行供电，比较两者的输出相噪。测试设置如下图 9 所示，LDO 的输入 5V 电源由 Agilent E3634 提供，通过 LDO 评估板后转变成 3.3V 给 TRF3765 供电。TRF3765 采用评估板上自带的 61.44MHZ 晶振作为参考输入，输出频率为 2.28GHz。TRF3765 的射频输出连到 R&S FSQ8 相噪分析仪上测试相应的相噪曲线。

两者对比测试结果如下图 10 所示，

由上图看见，采用 TPS7A8101 供电，TRF3765 在整个积分区间内(1KHz~10MHz)的 RMS 抖动为 0.62ps;而 TPS74401 的 RMS 抖动仅为 0.44ps。
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3.2 TPS7A8101 输出电路优化及其对频综相噪的影响

TPS7A8101 评估板初始原理图如图 11 所示，由上节的测试结果可知，采用该电路给 TRF3765供电，RMS 抖动为 0.62ps。

第一章中我们已经讨论了 LDO 加一个前馈电容可以有效的提高电源的环路稳定性，从而降低LDO 的输出噪声频谱密度。基于此，我们在 TPS7A8101 输出加一个 0.47 µF 的前馈电容，修改后的原理图如下图 12 所示。

针对修改前后的设计，我们对比测试了相应的 TRF3765 相噪曲线，如图 13 所示，由图可见，增加 0.47 µF 输出电容后，1KHz 到 10MHz 的 RMS 抖动由 0.62ps 提高到 0.49ps。

4 结论

综合以上两组测试的测试结果，可以得到下表

由表 1 可以看到，由于 TPS74401 的噪声频谱密度最小，在给频综供电的时候可以取得最好的相噪性能;TPS7A8101 噪声频谱密度相对较大，在给频综供电的时候取得的相噪性能相对较差;但是通过优化 TPS7A8101 的输出电路设计，频综的相位噪声得到了明显的改善。

实测结果很好的验证了前文的理论分析，即：LDO 的噪声频谱密度参数(NSD)决定了由$电源噪声引起的 VCO 相噪恶化;通过提高 LDO 的环路稳定性可以达到降低噪声频谱密度的目的，从而改善频综的输出相噪。

5、参考文献

[1] LDO Noise Examined In Detail (SLAA412)

[2] LDO Noise Demystified (SLYT489)

[3] Externally Inducted VCO Phase Noise, DENNIS COLIN, Mica Microwave

[4] TPS74401 Datasheet (SBVS066M)

[5] TPS7A8101 Datasheet (SBVS179A)

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